基于APSIM模型研究不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響

馮仰強(qiáng)，聶志剛，王鈞，羅榮鑫

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070）

甘肅省位于我國(guó)的西北地區(qū)，屬于典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氣候變化極其敏感［1］。近幾十年來，甘肅省平均氣溫呈升高趨勢(shì)，年降水量呈減少趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)變化不顯著［2］。降水量減少導(dǎo)致小麥在生育期缺水，極大地限制了旱地小麥的生產(chǎn)潛力［3］。APSIM模型是根據(jù)氣候數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)模擬作物生長(zhǎng)狀況，在氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)調(diào)控上應(yīng)用廣泛，近年在黃土高原地區(qū)取得了一定的研究成果［4-6］。為更準(zhǔn)確地模擬氣候變化對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育狀況和產(chǎn)量的影響，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。雷娟娟等［4］利用APSIM模型模擬小麥在不同生育期降水量變化的產(chǎn)量，得出在不同生育期小麥需水量的閾值；茹曉雅等［5］利用APSIM模型模擬在不同降水年型下降水變化和施氮條件對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，得出最優(yōu)小麥產(chǎn)量的降水和施氮量；李廣等［6］應(yīng)用APSIM模型模擬旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水季節(jié)分配對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，得到在當(dāng)年6—7月份降水對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響最大。水分作為小麥最重要因素，對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成具有決定性影響，因此降水變化對(duì)干旱、半干旱地區(qū)且無灌溉條件地區(qū)的小麥生產(chǎn)影響很大。大量研究表明，在黃土高原地區(qū)降水量少且年內(nèi)分配不均，與小麥生育時(shí)期錯(cuò)位，這對(duì)小麥生產(chǎn)造成了眾多不利影響［7-9］。前人研究多采用回歸統(tǒng)計(jì)分析法分析年降水量和溫度對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，而針對(duì)不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量影響的研究較少。因此，本研究通過對(duì)甘肅省定西市1979—2018年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定不同降水年型，利用APSIM模型模擬不同降水年型下降水變化在-20%～20%范圍內(nèi)對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，從而為甘肅黃土高原區(qū)小麥生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 APSIM 模型簡(jiǎn)介

APSIM模型是由隸屬于澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組（APARU）開發(fā)研制［10］。主要由生物物理模塊、管理模塊、輸入輸出模塊和中心引擎四個(gè)模塊組成，并且由在此四個(gè)模塊中所需的氣候、土壤屬性、作物屬性和農(nóng)田管理參數(shù)構(gòu)成。本研究采用的模型已經(jīng)過李廣等［11-15］的檢驗(yàn)，模型的相對(duì)均方根誤差（NRMSE）為4.85%，有效性參數(shù)（ME）為0.908，且有很多學(xué)者［5，11，12］應(yīng)用校準(zhǔn)后的模型研究了逐日最高溫與最低溫、光照與CO2及降水量與氮肥等對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響。

1.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)，地處甘肅中部，是典型無灌溉條件的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，海拔2 000 m，年均太陽輻射592.9 kJ/cm2，年均氣溫6.4℃，無霜期140 d，1979—2018年年平均降水量383.08 mm，年潛在蒸發(fā)量為降水量的4倍，春小麥的生育期一般集中在當(dāng)年的3—7月。

1.3 降水年型的劃分

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)日降水量得到小麥生育期的降水量總和，并求出1979—2018年降水?dāng)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差（公式1），將試驗(yàn)區(qū)40年的降水?dāng)?shù)據(jù)劃分為干旱年、平水年和豐水年3種年型，降水年型由公式2求出。

式中：R為干旱指數(shù)，Pg表示年降水量，Mp表示年均降水量。

具體降水年型劃分見表1。

表1 降水年型劃分Table 1 Annual precipitation classification

1.4 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在應(yīng)用APSIM模型模擬時(shí)，作物品種、土壤屬性、田間管理措施均采用已校準(zhǔn)的參數(shù)［5，6，9，11］。本研究利用甘肅省1979—2018年的氣象數(shù)據(jù)，降水?dāng)?shù)據(jù)以近40年的逐日降水為基準(zhǔn)，比較不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，將降水變化0%設(shè)置為小麥生產(chǎn)中自然條件生長(zhǎng)（實(shí)驗(yàn)對(duì)照組）。在降水變化±20%的變化范圍內(nèi)，以5%為梯度設(shè)置9組實(shí)驗(yàn)，其他數(shù)據(jù)均采用研究年份實(shí)際數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，分別模擬在3種不同降水年型下降水增減對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降水年型下旱地小麥產(chǎn)量變化

在確定3種降水年型后，研究不同降水年型對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。結(jié)合1979-2018年當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)，使用APSIM模型進(jìn)行模擬39年間3種年型下小麥的平均產(chǎn)量（表2）。干旱年下小麥的平均產(chǎn)量為1 598.62 kg/hm2，平水年和豐水年分別為1 906.94、2 246.48 kg/hm2，豐水年小麥產(chǎn)量顯著高于平水年和干旱年，且分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍，說明降水對(duì)小麥產(chǎn)量的增長(zhǎng)有明顯促進(jìn)作用。

表2 不同降水年型下旱地小麥產(chǎn)量Table 2 Dryland wheat yield under different precipitation years

2.2 不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響

在土壤、作物屬性和田間管理參數(shù)等要素不變的情形下，改變APSIM模型中輸入模塊降水比例參數(shù)，分別以5%為梯度，模擬旱地小麥在不同降水年型下的平均產(chǎn)量。模型模擬結(jié)果表明，旱地小麥產(chǎn)量隨干旱年、平水年和豐水年3種年型逐步增加；在3種不同降水年型下，旱地小麥產(chǎn)量隨降水比例增加呈上升趨勢(shì)。降水變化比例每增加5%，干旱年旱地小麥產(chǎn)量最高增產(chǎn)幅度18.7%，最低增產(chǎn)幅度14.5%，平均增產(chǎn)幅度17.9%；平水年旱地小麥產(chǎn)量最高增產(chǎn)幅度19.6%，最低增產(chǎn)幅度14.3%，平均增產(chǎn)幅度17.7%；豐水年旱地小麥產(chǎn)量最高增產(chǎn)幅度15.5%，最低增產(chǎn)幅度12.1%，平均增產(chǎn)幅度14.4%（表3）。

表3 降水變化下不同降水年型的旱地小麥產(chǎn)量_Table 3 Effects of precipitation change on wheat yield in dryland under different precipitation types kg·hm2

2.3 不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量變化的回歸分析

以旱地小麥產(chǎn)量為因變量，降水變化比例為自變量，應(yīng)用DPS軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，建立回歸方程如下：

干旱年、平水年和豐水年回歸方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 2、0.999 8和0.997 5，F(xiàn)＞F0.01，表明方程（3）、（4）、（5）均達(dá)到顯著性差異，能夠反映不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響。由方程可知，3種降水年型下降水變化與旱地小麥產(chǎn)量均呈開口向上的二次曲線。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不同降水年型下降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響均為正效應(yīng)且未出現(xiàn)閾值。在干旱年，降水變化為-42.81%時(shí)，旱地小麥產(chǎn)量有極小值，為166.14 kg/hm2；在平水年，降水變化為-31.09%時(shí)，旱地小麥產(chǎn)量有極小值，為957.07 kg/hm2；在豐水年，降水變化為-41.03%時(shí)，旱地小麥產(chǎn)量有極小值，為558.17 kg/hm2。

3 討論

根據(jù)IPCC的氣候預(yù)測(cè)報(bào)告，西北地區(qū)的降水變化范圍為10%～20%［16］。本研究在現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，模擬研究未來可能出現(xiàn)的降水變化對(duì)甘肅旱地小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，在3種不同年型下，旱地小麥產(chǎn)量隨干旱年、平水年和豐水年依次增加，其中，豐水年型下旱地小麥產(chǎn)量分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍。在3種降水年型下，降水變化比例與旱地小麥產(chǎn)量呈正效應(yīng)，這與許多學(xué)者的研究相一致［17-19］。降水作為研究區(qū)水分的唯一來源，降水變化比例的增加必定會(huì)改善土壤的水分條件。杜瑞英等［20］認(rèn)為，當(dāng)田間持水量低于旱地小麥的最適水分條件時(shí)，降水增加不僅提高旱地小麥的水分利用效率，而且增加小麥的光合速率，實(shí)現(xiàn)旱地小麥增產(chǎn)。董志強(qiáng)等［21］發(fā)現(xiàn)，土壤水分的增加會(huì)降低旱地小麥葉片的溫度，增加小麥的物質(zhì)運(yùn)輸速率，提高小麥的增產(chǎn)效果。本研究結(jié)果顯示，不同降水年型下降水變化與旱地小麥產(chǎn)量呈二次拋物線關(guān)系，且在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)隨降水增加遞增，降水變化比例增加，小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度表現(xiàn)為干旱年＞平水年＞豐水年。高艷梅等［22］認(rèn)為，在不同降水年型下，干旱年更利于增加土壤蓄水量，且隨土壤蓄水量的增加，水分利用效率增加，增加旱地小麥產(chǎn)量。裴雪霞等［23］研究表明，降水是旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵，播期對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及水分利用效率有顯著影響，在3種不同降水年型下小麥適播期分別是：豐水年在10月4日左右，平水年和枯水年在9月28日左右，此時(shí)旱地小麥水分利用率較高且產(chǎn)量最高。孫敏等［24］發(fā)現(xiàn)，隨著降水增加，3種年型的土壤蓄水量增加效果表現(xiàn)為枯水年＞平水年＞豐水年，并提出旱地小麥在枯水年和平水年，以休閑期土層深翻產(chǎn)量最高；在豐水年以休閑期深松旱地小麥產(chǎn)量最高。

本研究采用的APSIM模型能較好模擬和表達(dá)氣候因子對(duì)旱地小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系，并已經(jīng)達(dá)到大量學(xué)者驗(yàn)證。本研究在溫度、作物屬性、田間土壤數(shù)據(jù)和管理措施不變的前提下，模擬不同降水年型下降水比例變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，且降水變化比例以年降水量為衡量指標(biāo)，未考慮小麥生育期水分需求敏感期等情況對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響，對(duì)田間持水量、小麥生育期水分需求敏感期等因素需進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響極顯著，豐水年小麥平均產(chǎn)量為2 246.48 kg/hm2，平水年和干旱年分別為1 906.94、1 598.62 kg/hm2，豐水年小麥產(chǎn)量顯著高于平水年和干旱年，且分別為平水年和干旱年的1.18和1.41倍。降水變化對(duì)旱地小麥產(chǎn)量的影響均為正效應(yīng)，降水變化比例每增加5%，干旱年旱地小麥平均增產(chǎn)17.9%，平水年旱地小麥產(chǎn)量平均增產(chǎn)17.7%，豐水年旱地小麥產(chǎn)量平均增產(chǎn)14.4%。